胞外聚合物在強化生物除磷中的作用研究

陶光建 龍向宇 方振東 唐然 李永青

摘??????要：?強化生物除磷（EBPR）是經濟有效去除污水中磷的重要方法，已廣泛應用于水環境保護領域。普遍認為EBPR的成功運行是基于聚磷菌具有超磷的能力，通過排放剩余污泥可實現除磷的目的。然而最近研究表明，活性污泥胞外聚合物（EPS）中也聚集了一定數量的磷，這意味著EPS在強化生物除磷（EBPR）過程中的作用不可忽視。歸納了不同EPS提取方法的特點，總結了EPS中磷的分布特征及EPS在維持EBPR系統穩定中的具體作用，最后討論了現有認識的差距。

關??鍵??詞：強化生物除磷;胞外聚合物;聚磷菌

中圖分類號：X703???????文獻標識碼：?A ????????文章編號：?1671-0460（2019）11-2687-04

Research on the Role of Extracellular Polymers in

?Enhanced Biological Phosphorus Removal

??TAO Guang-jian， LONG Xiang-yu*， FANG Zhen-dong， TAN Ran， LI Yong-qing

（Department of Military Facilities， Army logistic University of PLA，?Chongqing 401331，?China）

Abstract： Enhanced biological phosphorus removal （EBPR） is one of the most economical and effective processes for removing P from wastewater， and it has been widely applied in the field of water environment protection. It is generally accepted that EBPR technology is based on the phosphorus accumulating organisms （PAOs） with the “luxury”?phosphorus uptake ability， and then phosphorus would be removed by withdrawing the excess sludge. However， recent studies have revealed that extracellular polymers substance （EPS） in the sludge have also accumulated a certain amount of phosphorus， indicating that the role of EPS in EBPR can not be ignored. In this paper， the characteristics of different EPS extraction methods were summarized， the characteristics of P distribution in EPS and the specific role of EPS in maintaining the stability of biological phosphorus removal system were introduced， and the remaining knowledge gaps were discussed.

Key words： Enhanced biological phosphorus removal; Extracellular polymers substance; Phosphorus accumulating organisms

目前，我國水體富營養化依然嚴峻，磷是導致水體富營養化最為關鍵的限制因素，為此國家和地方政府對污水處理廠出水磷濃度制定了嚴格的排放標準。相較于化學除磷，強化生物除磷具有成本低、污染小等特點，已廣泛應用于實際污水處理廠^[1]。普遍認為EBPR過程是基于聚磷菌（PAOs）厭氧釋磷、好氧過量吸磷的原理，并通過排放剩余污泥實現良好的除磷效果^[2]。然而，聚磷菌釋磷/攝磷原理不能解釋所有的生物除磷現象，說明EBPR不僅與聚磷菌有關，而且可能與生物絮體中其他物質存在密切聯系^[3]。

大量研究表明，EBPR活性污泥胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）中含有大量的磷，不可忽視其在強化生物除磷中的作用，需要重新審視現有的生物除磷理論。本綜述系統歸納了不同EPS提取方法的特點，總結了強化生物除磷理論的研究現狀，希望本綜述能為強化生物除磷理論的研究提供借鑒，更好的為工程實踐提供理論支持。

1 ?胞外聚合物概述

EPS是生物絮體的重要組成部分，主要來源于微生物分泌，細胞裂解以及廢水中的有機物，其結構概念圖如圖1所示。

根據EPS在細胞外的存在方式，可將其分為溶解性EPS（Souble EPS）和結合型EPS（Bound EPS），而后者根據其與細胞的結合程度又可分緊密結合型EPS（Tightly Bound EPS，TB-EPS）和疏松結合型EPS（Loosely Bound EPS，LB-EPS）。TB-EPS位于細菌細胞外層，與細菌細胞緊密結合;LB-EPS位于TB-EPS外層，具有比較松散的結構^[5]。由于其特殊的結構特點，EPS不僅可以保護微生物免受環境有毒物質的危害^[6]，還能為微生物提供碳源或能源。同時在污水處理過程，EPS對污泥的沉降性能、脫水性能以及對重金屬的吸附性能都有重要影響^[7]。

2 ?EPS提取方法

鑒于EPS在廢水生物處理過程中的重要作用以及EPS原位分析所獲得的信息有限，研究者們通常將EPS從污泥分離后再進行分析。目前EPS的提取方法主要包括物理方法和化學方法，物理方法主要是利用外力將EPS與細菌細胞分離，物理方法包括超聲波法、高速離心法以及加熱法等。化學方法則是利用化學試劑中離子或分子與EPS相接觸，促進EPS大分子進入主體液相而被提取出來，化學方法包括陽離子交換樹脂法、NaOH/HCHO法以及EDTA法等。

不同的提取方法會影響EPS的組成、結構以及功能特性。Comte等^[8]研究了三種物理提取方法對EPS組成的影響。結果表明，加熱法提取的EPS產量最高，這與Tapia等^[9]的研究結果一致，然而Bo等^[10]指出加熱法會導致細胞裂解并破壞EPS的結構。Phuc-Nguon等^[11]采用EPS提取效率和細胞裂解作為EPS提取方法優劣的評價標準，比較了NaOH/加熱、HCHO/NaOH以及CER三種提取方法。結果表明，NaOH/加熱法提取EPS效率高，但會導致細胞大量裂解，而HCHO/NaOH提取能有效減少細胞裂解，這是由于甲醛可以通過交聯細胞膜上蛋白質的氨基，羥基和羧基來固定細胞膜結構，CER法提取EPS的效率較高，且造成的細胞裂解率低，同時可以充分提取活性污泥中的熒光物質。此外，大多研究者均認為化學方法提取EPS的效率一般要高于物理方法，但化學方法提取EPS會引入化學試劑，這些試劑會對提取的EPS造成一定的化學污染，從而干擾對其組成和結構的分析。

對于EPS提取方法，研究者們已經做了大量研究，但如何在細菌裂解最少、不破壞EPS理化性質的前提下，盡可能多的提取EPS，研究者目前還沒有達成一致的結論，也沒有制定出相應的EPS提取效果的評價體系，表1歸納了一些常見的EPS提取方法及其特點。

3 ?EPS中磷的分布特征

3.1 ?EPS中磷的含量

一直以來，認為EBPR污泥中的磷主要以聚磷的形式儲存在聚磷菌內，然而許多研究表明，EBPR污泥的EPS中也存在大量的磷^[12，13]。Cloete等^[12]采用掃描電鏡結合能譜儀（SEM-EDS）觀察生物除磷工藝中活性污泥，發現EPS中含有27%～30%的磷。為了定量分析EPS中的磷含量，Li等^[13]提取EBPR系統中好氧結束階段污泥的EPS，他們發現提取的EPS磷含量為0.06～0.09 mg/mg-EPS，占污泥總磷的13%，這與Zhang等^[14]結果一致。龍向宇^[15]等采用超聲波-陽離子交換樹脂法提取不同來源污泥的EPS，結果表明EPS 磷含量占污泥磷含量的34%～57%，認為EPS在強化生物除磷過程起著重要作用。

盡管不同的提取方法會影響EPS中磷含量的測定，但上述研究均表明EPS中含有大量的磷，不可忽視其在強化生物除磷中的作用。

3.2 ?EPS中磷的形態

長期以來，研究者大多認為EPS中的磷主要以正磷酸鹽的形式存在。然而隨著研究手段的進步，發現EPS中含有大量的聚磷酸鹽。方振東等^[16]采用STS法（化學分級）檢測到細胞膜外或EPS中存在大量的聚磷酸鹽，認為EPS在生物除磷中起著關鍵作用。Zhang等^[17]采用³¹P-NMR光譜分析，發現EBPR污泥EPS中存在大量的聚磷酸鹽和焦磷酸鹽。此外，張志超等^[18]研究表明，EPS含有正磷酸鹽，聚磷酸鹽，焦磷酸鹽，DNA磷和磷單質五種形態的磷，普通活性污泥系統EPS中的磷主要以正磷酸鹽的形態存在，而EBPR活性污泥系統EPS含有大量的聚磷酸鹽，表明EBPR系統中EPS參與了生物聚磷。

然而，目前EBPR活性污泥系統EPS中聚磷酸鹽的來源尚未明確，部分研究者認為EPS中存在多聚磷酸鹽激酶（PPK），可以通過生物原位合成聚磷酸鹽^[19]。Long等^[20]借助³¹P-NMR分析測定了EBPR活性污泥EPS中聚磷酸鹽的鏈長，結果表明EPS中聚磷酸鹽是高分子無機聚合物，不能進行跨膜運輸，認為EPS中聚磷酸鹽是由胞外酶催化合成的。然而，Allison等^[21]認為EPS中聚磷酸鹽主要來源于細胞自溶，因為胞外合成聚磷酸鹽需要大量的能量，EPS中不可能合成大量的聚磷酸鹽。由于研究手段的限制，目前尚未明確EPS中是否存在合成聚磷酸鹽的反應，在今后的研究中也有必要展開相關的研究。

3.3 ?EPS中磷的遷移轉化

對于EBPR活性污泥系統，胞內磷和EPS磷的遷移轉化過程密切相關。Zhang等^[17]研究了EBPR系統厭氧-好氧交替循環過程細胞內總磷和EPS總磷含量的動態變化，發現EPS總磷和細胞內總磷含量均呈現厭氧減少，好氧增加的趨勢，這是典型的EBPR過程，這表明EPS在強化生物除磷是EPS和細菌細胞共同作用的結果。周健等^[22]的研究結果也表明，在厭氧-好氧交替反應過程，EBPR污泥的EPS中的磷含量呈現厭氧減少、好氧增加的趨勢，且污泥齡越高，EPS中的磷含量越高。

在磷酸鹽遷移轉化過程，為了維持系統的電中性，金屬陽離子通常伴隨著PO43-共同進出細菌細胞^[23]。Wang等^[24]研究了EBPR活性污泥EPS中金屬-P絡合物的形成，發現主體液相中K⁺、Mg²⁺和PO₄^3-之間的變化存在良好的化學計量關系，這表明K+、Mg²⁺會與polyP形成金屬-P復合物，共同進出細菌細胞。Liu等^[25]提出P、K⁺、Mg²⁺可以快速的從主體液相轉移到EPS中，但是不能立即轉移到聚磷菌細胞內，而是在EPS中停留一段時間，這說明EPS是P和K⁺、Mg²⁺動態儲存庫以及中轉站。

4 ?EPS在維持EBPR系統穩定中作用

越來越多證據表明EPS在維持EBPR系統穩定中具有重要作用，一般來說，EPS可能通過下列幾種方式促進EBPR過程中P的去除。（1）首先，EPS作為連接細菌細胞和主體液相的“橋梁”，可以保護PAOs免受有毒物質（如重金屬）的污染。眾所周知，高濃度的重金屬如Cu²⁺、Ni²⁺會抑制PAOs的新陳代謝^[26]。EPS可以對這些有毒化學物質進行攔截，從而確保PAOs的生理活性。Mu等^[27]報道了EPS中負電荷殘基能夠結合Zn²⁺，并且EPS的螯合性能可以減弱Zn²⁺對內部微生物的毒害。?因此，當EBPR系統中存在有毒物質時，污泥絮體中微生物細胞會傾向于產生更多的EPS以保護自己免受惡劣環境的影響^[27]。

其次，在EBPR系統運行周期內，EPS中會逐漸形成ACP沉淀物^[28]，這將有利于磷的去除。值得注意的是，EPS中惰性磷酸鹽沉淀的形成，會影響聚磷菌的代謝過程，因為EPS中大量累積的“惰性”磷酸鹽沉淀會阻礙厭氧/好氧過程PO₄^3-的遷移轉化。Zhang等^[29]指出當進水Ca²⁺濃度過高時，EPS中會合成大量的HAP沉淀，PAOs代謝途徑可能從聚磷酸鹽（PAM）代謝轉變為糖原代謝（GAM）。?然而，一些研究表明，盡管EPS中“惰性”磷酸鹽的合成會抑制EBPR過程，但仍然可以實現P穩定、有效的去除，這是由于高含量的EPS能夠顯著促進P吸附/沉淀^[30]。

換句話說，EBPR系統除磷包括微生物代謝除磷和EPS誘導沉淀除磷。如果能確保EPS中聚集大量的磷，那么即使增殖的GAOs比PAOs多，也不一定會減弱磷的去除，上述研究將更有利于EBPR過程的管理。更重要的是，形成的HAP沉淀十分穩定，并且很容易脫水用作有用的肥料^[31]，這進一步增加了EPS誘導磷沉淀的吸引力。因此實際EBPR操作中，需要平衡考慮生物因素、化學因素的影響。

5 ?結?論

過去幾十年間，大量研究結果已經表明EPS在強化生物除磷中扮演著重要作用。然而，我們對EBPR過程中磷酸鹽的遷移轉化還不夠了解，對EBPR過程polyP的分解/合成生化反應機制、聚磷菌與聚糖菌之間的競爭機制的認知還存在缺陷。同時，還缺乏有效可靠EPS提取手段，這為后續的研究提供了不便。

為了更好地理解EPS在強化生物除磷過程中的作用，進一步完善強化生物除磷機制，以期指導具體工程實踐，在未來還需在分子水平上研究微生物代謝活動，EPS的合成以及微生物種群結構之間聯系。

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